Schülerexperimente zur Elektronik - PH

Schülerexperimente zur Elektronik
Walter Sova
Diodenschaltungen
1)
Welche Lämpchen leuchten jeweils bei den Schalterstellungen?
2) Für den Durchlassbereich eines bestimmten Diodentyps wurde die dargestellte
Kennlinie aufgenommen. Mit dieser Diode wird die unten skizzierte Schaltung aufgebaut.
a) Wie groß ist der Strom durch D1 und D2, wenn das Strommessgerät 30mA anzeigt?
b) Berechne die Spannung U1, welche an R1 abfällt, sowie den Widerstandswert von R1.
c) Ermittle für die gegebenen Betriebsdaten die Widerstandswerte für beide Dioden.
3) Für welche Spannung sollte das Lämpchen
ausgelegt sein, damit es optimal leuchtet, wenn
der Doppelweggleichrichter aus gewöhnlichen
Siliziumdioden (0,7V) aufgebaut ist?
4) Herr Schlaumeier möchte die Zweiweggleichrichtung an
einem Gleichstrommotor ausprobieren. Damit sich der Motor
in der richtigen Richtung dreht, muss der mit (+)
gekennzeichnete Anschluss des Motors mit dem Pluspol der
Gleichspannung verbunden sein. Der Scheitelwert der
Wechselspannung beträgt U0 = 3,0V.
a) Was passiert beim Anschluss der
Wechselspannungsquelle?
b)Die Sicherung wird durch einen Widerstand R s ersetzt.
Wie groß muss Rs mindestens gewählt werden, damit keine
Zerstörung der Dioden droht? Die Schwellenspannung der Dioden sei jeweils U s = 0,70 V,
der maximale Strom durch eine Diode soll 100mA nicht überschreiten.
c) Der Anker des Gleichstrommotors hat den Widerstand R a = 4,0Ω . Damit der Motor
anläuft sollten mindestens 100mA durch den Anker fließen. Wird der Motor bei obiger
Schaltung anlaufen?
d) Obige Schaltung hat Nachteile, die durch eine kleine Schaltungsänderung beseitigt
werden können. Mache einen Vorschlag für die abgeänderte Schaltung (Skizze!).
5) Mit einem Widerstand R und einer Siliziumdiode D wird
die nebenstehende Spannungsteiler-schaltung aufgebaut.
Als Eingangsspannung U wird eine sinusförmige
Wechselspannung der Frequenz 50 Hz mit dem Scheitelwert
U0 = 3,0 V angelegt. Wie groß muss R mindestens sein,
wenn die Diode nur mit 100 mA belastet werden darf? Gehen
Sie davon aus, dass die Knickspannung der Diode 0,70 V
beträgt.
6) Ein Solarmodul liefere Spannungen U batt im Bereich
zwischen 15 V und 16 V. Um sicher zu gehen, dass U batt
tatsächlich in diesem Bereich liegt, baut Herr Schlaumeier die
nebenstehende Kontrollschaltung auf (Serienschaltung aus
Zenerdiode, Widerstand und grüner Leuchtdiode)
a) Erläutere, wie diese Überwachungsschaltung funktioniert.
Gehe auch darauf ein, warum der Widerstand notwendig ist
und welcher Kontakt (1 oder 2) des Überwachers an den
Pluspol des Solarmoduls angeschlossen werden muss.
b) Die Zenerdiode hat eine Zenerspannung U z = 12 V und
eine maximale Verlustleistung von 300 mW.
Die grüne Leuchtdiode besitzt eine Schwellenspannung
Uled = 2,1 V und ebenfalls ein maximale Verlustleistung von 300 mW.
Wie ist der Widerstand zu dimensionieren, damit keine der beiden Dioden zerstört wird?
Digitale Transistorschaltungen
Du hast nun bereits die Funktionen eines Transistors kennen gelernt und dieses Blatt soll
zeigen, wie man diese Funktionen für Logikbausteine verwenden kann.
Grundsätzlich gibt es 3 Logikfunktionen die wir genauer ansehen werden:
Die NICHT - Funktion nimmt folgende Werte an und lässt sich mit folgender Schaltung
realisieren:
A (Ein)
NICHT(A) = Y (Aus)
1 (+5V)
0 (0V)
0 (0V)
1 (+5V)


Steht der Eingang A auf +5V dann
leitet der Transistor, und die ganze Spannung fällt am Lämpchen ab. Das Voltmeter
am Ausgang zeigt 0V an.
Steht der Eingang auf 0V, dann sperrt der Transistor, und am Ausgang liegen +5V.
Die UND - Funktion und ihre Verneinung NAND nimmt folgende Werte an und lässt sich
mit folgender Schaltung realisieren:
A
B
A und B
NICHT (A und B) = Y
0
0
0
1
0
1
0
1
1
0
0
1
1
1
1
0
Versuche die Ergebnisse anhand der Schaltung
selbst durch zu denken bzw. zu messen.
Die ODER - Funktion und ihre Verneinung NOR nimmt folgende Werte an und lässt sich
mit folgender Schaltung realisieren:
A
B
A oder B NICHT (A oder B) = Y
0
0
0
1
0
1
1
0
1
0
1
0
1
1
1
0
Versuche die Ergebnisse anhand der Schaltung
selbst durch zu denken bzw. zu messen.
Aufgabe: Baue diese Logikschaltungen nach
oder untersuche Logikbausteine, die diese
Funktionen bereits besitzen. Sinnvolle
Bausteine wären:
4001, 4011, 4071, 4081
A, B sind jeweils die Eingänge X die Ausgänge
Taktgenerator und Flipflop Schaltungen
Ein Inverterbaustein als Taktgenerator:
Zum Testen können wir bei einem Ausgang (z.B:2) eine LED
über einen Widerstand zu GND anschließen.
Wenn wir jetzt den Eingang (1) mit + verbinden leuchtet sie
nicht, verbinden wir den Eingang mit - sollte sie leuchten.
So ein Inverterbaustein lässt sich sehr gut als Taktgenerator
verwenden, indem man einen Kondensator (220µF) über einen Widerstand (1kOhm) aufbzw. entlädt bis die Spannung am Eingang den Zustand der Inverter kippt.
Baue so einen Taktgenerator wobei der Takt
mit Hilfe einer LED mit Widerstand angezeigt
werden soll. Verändere die Kapazität und
den Widerstandswert und überlege, ob die
Formel Periodendauer = 2 . R . C ungefähr
stimmen kann.
Beschaltung von IC's:
Damit klar ist wie die IC’s zu beschalten sind, ist hier das
Schema für 4 UND- Schaltungen dargestellt. Bei den
anderen Logikfunktionen sind die Ein- und Ausgänge
gleich geschaltet.
Aus den NAND (und NOR) Logikbausteinen lassen sich
Flipflops (bistabile Kippstufen) bauen, die vielseitig
verwendet werden können.
Das RS Flipflop:
Diese Schaltung besitzt zwei stabile Zustände. Im rechten Bild wird
so eine Schaltung durch zwei NAND-Gatter realisiert.
E1 und E2 liegen auf 1. Wenn z.B: A auch auf 1 liegt, liegt A' auf 0.
Wird nun E1 kurz auf 0 gesetzt, dann springt A' auf 1 und a auf 0.
Setzt man E2 kurz auf 0, dann wechselt der Wert der Ausgänge
wieder.
Aufgabe: Baue so ein RS Flipflop mit einem 7400 Baustein und teste es.
Das getaktete RS Flipflop:
Damit ein Flipflop nur umschalten kann,
wenn ein Takt gegeben ist, werden vier
NAND Gatter verwendet.
Die Eingänge R und S liegen auf 0.
Für T=0 liegen A und D auf 1.
Damit haben wir im rechten Teil die
Situation wie oben, wenn z.B: Q auf 1 liegt und Q'auf 0.
Erst wenn T=1 ist bewirkt R=1 dass D=0 wird und Q'=1, damit wird Q aber 0.
S steht für set (setzen) R für reset (zurücksetzen).
R=1 bewirkt D=0 und damit Q=0 (Q wird also zurückgesetzt).
S=1 bewirkt A=0 und damit Q=1 (Q wird also gesetzt).
Aufgabe: Erweitere das oben gebaute RS Flipflop mit den beiden anderen NAND
Funktionen des 7400 Bausteines und teste es.
Das JK Flipflop:
Folgende Eigenschaften sind wichtig.
Wenn J = K = 1 ist ändert sich Q bei jeder
fallenden Taktflanke:
 Angenommen Q'=1 → S=1, Q=0, R=0
→ T=1, Q1=1, Q1'=0 FF2 schaltet erst
wenn T=0 → T'=1, Q=1, Q'=0.
 Nun ist aber S=0, und R=1 und wenn
T=1 schaltet das erste FF um, bei T=0
→ T'=1 das zweite.
Aufgabe: Links findest Du die Pin Belegung des
Bausteines 47107, der 2 JK-Flipflops enthält.
Teste zumindest eines der beiden mit Hilfe von
Leuchtdioden und dem Taktgeber den Du vorige
Woche gebaut hast. (J = K = CLR = 1)
Zählschaltungen:
Ein Dualzähler ist aus 4 JK-Flippflops aufgebaut:
Bei jeder fallenden Taktflanke ändert A seinen
Zustand. Daher ändert B seinen Zustand nur bei jeder
zweiten fallenden Taktflanke, da dann A von 1 auf 0
fällt. C bei jeder 4. und D bei jeder 8. Taktflanke siehe
Diagramm unten.
Damit erhält man einen 4 bit Binärzähler, der automatisch von 0 (0000) bis 15 (1111) zählt.
Hier befindet
sich der
Taktgeber.
Der Baustein 7490 enthält 4 solche JK Flipflops. Links unten findest Du die Ein- und
Ausgänge, rechts unten den Schaltplan.
Wichtig ist dabei: Vcc=1, GND=0, R0(1) und R9(1) sollten beide auf 0 liegen, Input B sollte
mit QA verbunden sein und Input A sollte an den Takt angeschlossen sein.
Aufgabe: Teste den Baustein 7490 mit seinen 4 Ausgängen und überlege Dir was im
Schaltplan rechts geschieht.